TWI648769B

TWI648769B - 半導體磊晶晶圓的製造方法以及固體攝像元件的製造方法

Info

Publication number: TWI648769B
Application number: TW105141124A
Authority: TW
Inventors: Takeshi Kadono; 門野武; Kazunari Kurita; 栗田一成
Original assignee: Sumco Corporation; 日商Ｓｕｍｃｏ股份有限公司
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2019-01-21
Also published as: KR102063638B1; US20180374891A1; JP2017112181A; TW201729255A; CN108496239A; DE112016005749T5; WO2017104584A1; JP6459948B2; US10396120B2; CN108496239B; KR20180073658A

Abstract

本發明的目的在於提供一種可於形成磊晶層後於半導體晶圓的表面部使氫的峰值濃度增加的半導體磊晶晶圓的製造方法。本發明的半導體磊晶晶圓的製造方法的特徵在於包括：第一步驟，對半導體晶圓的表面照射含有氫作為構成元素的簇離子，於該半導體晶圓的表面部形成含有所述氫的所述簇離子的構成元素固溶而成的改質層；第二步驟，於該第一步驟之後，對所述半導體晶圓照射頻率300 MHz以上且3 THz以下的電磁波而將所述半導體晶圓加熱；以及第三步驟，於該第二步驟之後，於所述半導體晶圓的所述改質層上形成磊晶層。

Description

半導體磊晶晶圓的製造方法以及固體攝像元件的製造方法

本發明是有關於一種半導體磊晶晶圓的製造方法以及固體攝像元件的製造方法。

於半導體晶圓上形成有磊晶層的半導體磊晶晶圓被用作用以製作金屬氧化物半導體場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、動態隨機存取記憶體(Dynamic Random Access Memory，DRAM)、功率電晶體(power transistor)及背面照射型固體攝像元件等各種半導體器件的器件基板。

例如背面照射型固體攝像元件藉由將配線層等配置於較感測器部更靠下層的位置，而將來自外部的光直接引入至感測器中，於暗處等亦可拍攝更清晰的圖像或動畫。因此，背面照射型固體攝像元件近年來被廣泛地用於數位視訊攝影機(digital video camera)或智慧型手機(smartphone)等行動電話中。

近年來半導體器件的微細化或高性能化愈發進步，於該狀況下，為了使器件特性高品質化，期望被用作器件基板的半導體磊晶晶圓的高品質化。為了進一步改善器件特性，正在開發利用氧析出熱處理的結晶品質改善技術、或用以防止磊晶成長時的重金屬污染的除氣(gettering)技術等。

例如於專利文獻1中記載有以下技術：於對矽基板實施氧析出熱處理，其後形成磊晶層而製造磊晶晶圓時，控制所述氧析出熱處理的條件。根據專利文獻1中記載的技術，可將形成磊晶層後的磊晶晶圓的洩漏電流的值設為1.5E-10 A以下。

另外，本案申請人於專利文獻2中，關於除氣技術提出了以下技術。即，該技術為一種半導體磊晶晶圓的製造方法，包括：第一步驟，對半導體晶圓的表面照射簇離子，於該半導體晶圓的表面部形成所述簇離子的構成元素固溶而成的改質層；以及第二步驟，於所述半導體晶圓的改質層上形成磊晶層。

[現有技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2013-197373號公報

[專利文獻2]國際公開第2012/157162號

如專利文獻1及專利文獻2所記載，正進行使半導體磊晶晶圓高品質化的各種嘗試。另一方面，關於半導體磊晶晶圓中的磊晶層內部的結晶性則被認為已充分高，迄今為止並未提出提高磊晶層內部的結晶性本身的技術方案。本發明者等人根據以下的考察及實驗結果想到，若可進一步提高磊晶層內部的結晶性，則可期待器件特性(固體攝像元件的例中為減少白痕缺陷)的提高。

首先已知，即便將作為輕元素的氫離子注入至半導體晶圓中，亦因形成磊晶層時的熱處理而導致氫擴散。實際上即便對以通常的條件對半導體晶圓進行氫離子注入，繼而於該半導體晶圓的形成有氫離子注入區域之側的表面上形成有磊晶層的半導體磊晶晶圓的氫濃度分佈進行觀察，所觀察到的氫濃度亦小於二次離子質譜分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)的檢測極限。

另一方面，本發明者等人進行了研究，而新確認到，若對半導體晶圓的表面以簇離子的形態照射氫，於該半導體晶圓的表面部形成簇離子的構成元素固溶而成的改質層，則藉由使照射條件適當化，即便於形成磊晶層後亦可使氫局部存在於改質層內。

本發明者等人利用陰極發光(Cathode Luminescence，CL)法對氫局部存在於改質層內的半導體磊晶晶圓的磊晶層、與無法利用通常的SIMS(例如氫濃度檢測極限為7.0×10¹⁶atoms/cm³)檢測到氫的濃度峰值的半導體磊晶晶圓的磊晶層的結晶性之差異進行了觀察。再者，所謂CL法，是指藉由對試樣照射電子束，而檢測自傳導帶的底部附近向價電子帶的頂部附近遷移時的激發光，測定結晶缺陷的方法。

關於前者的半導體磊晶晶圓，確認到於磊晶層內存在橫光(Transverse Optical，TO)線強度的峰值。另一方面，關於後者的半導體磊晶晶圓，亦確認到隨著自半導體晶圓與磊晶層的界面於厚度方向上朝向磊晶層的表面，有TO線的強度逐漸減弱的傾向。再者，所謂TO線，為藉由CL法所觀察到的相當於Si的帶隙的Si元素特有的光譜，TO線的強度越強，意味著Si的結晶性越高。

如此般確認到，相較於後者，前者的情況下磊晶層的結晶性更優異。繼而，本發明者等人設想使用半導體磊晶晶圓來形成器件的情形，而觀察對半導體磊晶晶圓實施模擬器件形成的熱處理的情形的TO線強度。於是確認到，即便於模擬器件形成的熱處理後，前者的半導體磊晶晶圓的磊晶層亦保持TO線強度的峰值，並且於峰值以外的區域中，亦具有與後者的半導體磊晶晶圓的磊晶層相同程度的TO線強度。即判明，於形成磊晶層後，氫局部存在於改質層內的半導體磊晶晶圓與無法檢測到氫的濃度峰值的半導體磊晶晶圓相比，磊晶層的結晶性綜合地更高。若考慮該模擬器件形成的熱處理前後的氫濃度及TO線強度的變動傾向，則可認為，藉由實施模擬器件形成步驟的熱處理，高濃度地存在於半導體晶圓的表面部的氫使磊晶層中的點缺陷鈍化，提高磊晶層的結晶性。

由此，本發明者等人認為，局部存在於半導體磊晶晶圓中的氫於將半導體磊晶晶圓供於器件製造步驟時使磊晶層內的缺陷鈍化，結果可提高器件品質。若可提高半導體晶圓的表面部的氫的峰值濃度，則可期待該鈍化效果亦變得更有效。

因此，鑒於所述課題，本發明的目的在於提供一種半導體磊晶晶圓的製造方法，其可於形成磊晶層後，使半導體晶圓的表面部的氫的峰值濃度增加。

本發明者等人為了解決所述課題而潛心研究。如上文所述，氫為輕元素，故若於改質層上進行磊晶層形成，則由於伴隨著高溫熱處理而氫相當程度地擴散。因此，本發明者等人進一步進行研究，想到於進行簇離子照射之後，形成磊晶層之前，對半導體晶圓照射既定頻率的電磁波而將半導體晶圓加熱，控制局部存在於改質層中的氫的擴散。本發明者等人發現，藉由該電磁波照射，即便於形成磊晶層後亦可抑制半導體晶圓的表面部的氫擴散，結果與不進行電磁波照射的情形相比，可大幅度地增加氫的峰值濃度，從而完成了本發明。即，本發明的主旨構成如下。

本發明的半導體磊晶晶圓的製造方法的特徵在於包括：第一步驟，對半導體晶圓的表面照射含有氫作為構成元素的簇離子，於該半導體晶圓的表面部形成含有所述氫的所述簇離子的構成元素固溶而成的改質層；第二步驟，於該第一步驟之後，對所述半導體晶圓照射頻率300MHz以上且3THz以下的電磁波而將所述半導體晶圓加熱；以及第三步驟，於該第二步驟之後，於所述半導體晶圓的所述改質層上形成磊晶層。

此處，所述簇離子較佳為更含有碳作為構成元素。

另外，較佳為於所述第一步驟中，將所述簇離子的射束電流值設為50μA以上。進而，亦較佳為於所述第一步驟中，將所述簇離子的射束電流值設為5000μA以下。

另外，所述半導體晶圓較佳為矽晶圓。

本發明的固體攝像元件的製造方法的特徵在於：於藉由所述任一製造方法所製造的半導體磊晶晶圓的磊晶層上，形成固體攝像元件。

根據本發明，對半導體晶圓照射既定頻率的電磁波而將該半導體晶圓加熱，故可提供一種可於形成磊晶層後於半導體晶圓的表面部使氫的峰值濃度增加的半導體磊晶晶圓的製造方法。

10‧‧‧半導體晶圓

10A‧‧‧半導體晶圓的表面

16‧‧‧簇離子

18(18')‧‧‧改質層

20‧‧‧磊晶層

100‧‧‧半導體磊晶晶圓

W‧‧‧電磁波

圖1為對本發明的一實施形態的半導體磊晶晶圓100的製造方法加以說明的示意剖面圖。

圖2A為將參考實驗例1中照射簇離子後的矽晶圓的穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)剖面照片與表示相當於該TEM剖面照片的部分的碳、氫及氧的濃度分佈的圖表重疊所得的圖。

圖2B為將參考實驗例1中進行微波加熱後的矽晶圓的TEM剖面照片與表示相當於該TEM剖面照片的部分的碳、氫及氧的濃度分佈的圖表重疊所得的圖。

圖3A為表示實施例1的磊晶矽晶圓的濃度分佈的圖表。

圖3B為表示比較例1的磊晶矽晶圓的濃度分佈的圖表。

圖4為將實施例1及比較例1的磊晶矽晶圓的峰值濃度比加以比較的圖表。

以下，一面參照圖式一面對本發明的實施形態加以詳細說明。另外，圖1中為了簡化圖式，關於半導體晶圓10、改質層18(18')及磊晶層20的厚度，與實際的厚度的比例不同而誇張地示出。

(半導體磊晶晶圓的製造方法)

如圖1所示，本發明的一實施形態的半導體磊晶晶圓100的製造方法包括：第一步驟，對半導體晶圓10的表面10A照射含有氫作為構成元素的簇離子16，於半導體晶圓10的表面部形成含有氫的簇離子16的構成元素固溶而成的改質層18(圖1的(A)、圖1的(B))；第二步驟，於該第一步驟之後，對半導體晶圓10照射頻率300MHz以上且3THz以下的電磁波W而將半導體晶圓10加熱(圖1的(C)、圖1的(D))；以及第三步驟，於該第二步驟之後，於半導體晶圓10的改質層18'上形成磊晶層20(圖1的(E))。圖1的(E)為該製造方法的結果所得的半導體磊晶晶圓100的示意剖面圖。另外，磊晶層20成為用以製造背面照射型固體攝像元件等半導體元件的器件層。再者，將於下文中詳述，本發明者等人認為，藉由經過第二步驟而改質層18中發生某些變質，為了區分變質的前後，將經過第二步驟後的改質層表述作「改質層18'」。

半導體晶圓10例如可列舉：包含矽、化合物半導體 (GaAs、GaN、SiC)且於表面不具有磊晶層的塊狀的單晶晶圓。於製造背面照射型固體攝像元件的情形時，通常使用塊狀的單晶矽晶圓。另外，半導體晶圓10可使用利用線鋸(wire saw)等將藉由柴可斯基法(Czochralski，CZ法)或浮融區法(Floating Zone，FZ法)所成長的單晶矽錠切片(slice)所得的晶圓。另外，為了獲得更高的除氣能力，亦可於半導體晶圓10中添加碳及/或氮。進而，亦可於半導體晶圓10中添加既定濃度的任意的摻雜劑，製成所謂n+型或者p+型、或n-型或者p-型的基板。

另外，半導體晶圓10亦可使用在塊狀半導體晶圓表面上形成有半導體磊晶層的磊晶半導體晶圓。例如為於塊狀的單晶矽晶圓的表面上形成有矽磊晶層的磊晶矽晶圓。該矽磊晶層可藉由化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法於通常的條件下形成。磊晶層較佳為將厚度設為0.1μm~20μm的範圍內，更佳為設為0.2μm~10μm的範圍內。

此處，本實施形態的特徵性步驟之一為圖1的(A)所示的第一步驟。本說明書中所謂「簇離子」，是指對多個原子或分子集合成塊而成的簇賦予正電荷或負電荷，使其離子化而成者。簇為多個(通常為2個~2000個左右)原子或分子相互結合而成的塊狀的集團。

於對作為半導體晶圓的一種的矽晶圓照射例如包含碳及氫的簇離子的情形時，若將簇離子16照射於矽晶圓，則因其能量而瞬間成為1350℃~1400℃左右的高溫狀態，矽熔解。其後，矽經急速冷卻，碳及氫於矽晶圓中的表面附近固溶。即，所謂本說明書中的「改質層」，是指所照射的離子的構成元素於半導體晶圓表面部的結晶的晶格間位置或置換位置固溶而成的層。由二次離子質譜分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)所得的矽晶圓的深度方向上的碳的濃度分佈雖依存於簇離子的加速電壓及簇尺寸，但與單體離子的情形相比變尖銳(sharp)，所照射的碳局部地存在的區域(即改質層)的厚度大致成為500nm以下(例如50nm~400nm左右)。於簇離子16的構成元素包含有助於除氣的元素的情形時，改質層18亦作為除氣點(site)而發揮功能。如此，藉由簇離子16的照射而於半導體晶圓10的表面部形成含有氫的簇離子16的構成元素固溶而成的改質層18。

於第一步驟之後、即形成改質層18之後，進行對半導體晶圓10照射頻率300MHz以上且3THz以下的電磁波而將半導體晶圓10加熱的第二步驟(圖1的(C)、圖1的(D))。

頻率300MHz以上且3THz以下的電磁波被稱為廣義的「微波」。而且，由照射頻率300MHz以上且3THz以下的電磁波所致的半導體晶圓10的加熱被稱為「微波加熱」或「微波退火」。以下，於本說明書中，將由照射頻率300MHz以上且3THz以下的電磁波所致的半導體晶圓10的加熱稱為「微波加熱」。該步驟可使用市售的微波加熱裝置來進行，藉由電磁波照射將局部存在於改質層18中的簇離子16的構成元素振動激發而局部地加熱，抑制氫的擴散。再者，改質層18因照射簇離子而受到損傷。視照射條件不同，有時亦於改質層中形成非晶體區域。藉由微波加熱，亦可使由照射簇離子所致的損傷恢復而恢復結晶性，亦可使半導體晶圓10的表面10A的表面粗糙度的劣化恢復。關於用以進行微波加熱的電磁波的照射條件，只要可控制局部存在於改質層18中的氫的擴散，則並無限制，例如可於半導體晶圓的溫度成為50℃以上且1000℃以下的範圍內進行。可將所照射的電磁波的頻率設為毫米波(millimeter wave)至紅外區域，例如可設為300MHz以上且300GHz以下。進而，可將電磁波的照射時間設為例如10秒以上且30分鐘以下。進而，可將所照射的電磁波的輸出設為例如5W以上且12kW以下。該步驟與第一步驟同為本實施形態的特徵性步驟之一，經過該步驟而改質層18成為改質層18'。下文中將對進行兩步驟的技術意義加以詳述。

於所述第二步驟之後，進行於半導體晶圓10的改質層18'上形成磊晶層20的第三步驟(圖1的(E))。磊晶層20例如可列舉矽磊晶層，可藉由通常的條件而形成。於該情形時，例如以氫作為載氣，將二氯矽烷、三氯矽烷等源氣體(source gas)導入至腔室內，成長溫度亦視所使用的源氣體而不同，可於大致1000℃~1200℃的範圍的溫度下藉由CVD法於半導體晶圓10上進行磊晶成長。磊晶層20較佳為將厚度設為1μm~15μm的範圍內。其原因在於：於小於1μm的情形時，可能因摻雜劑自半導體晶圓10向外擴散而導致磊晶層20的電阻率變化，另外，於超過15μm的情形時，有對固體攝像元件的分光感度特性產生影響之虞。

此處，以下對本實施形態中進行所述第一步驟及第二步驟的技術意義加以更詳細說明。

首先，氫離子為輕元素，故因形成磊晶層20時等的熱處理而容易向外擴散，有難以停留於形成磊晶層後的半導體晶圓中的傾向。因此，藉由照射含有氫作為構成元素的簇離子16，而形成改質層18，使氫局部存在於改質層18內。本發明者等人以實驗方式確認到，藉由調整簇離子照射條件，即便於形成磊晶層後，亦可使氫殘留於半導體晶圓的表面部內(即改質層內)。然而亦同時確認到，若於照射簇離子後形成磊晶層20，則深度方向上的濃度分佈的氫峰值濃度(以下簡稱為「氫的峰值濃度」)降低至剛照射簇離子後的氫的峰值濃度的0.5%左右。再者，所謂此處所述的氫的殘留，是指於形成磊晶層20後，氫的峰值濃度以藉由SIMS可檢測到的程度而存在。此處，本說明書中的「深度方向的氫濃度分佈」是指藉由SIMS所測定的深度方向的氫的濃度分佈。例如若為7.0×10¹⁶atoms/cm³以上，則可藉由磁場型的SIMS檢測出氫的峰值濃度。

此處，本發明者等人以實驗方式表明，藉由進行本實施形態的第二步驟，與不進行第二步驟的情形相比，即便於形成磊晶層20後亦可使氫的峰值濃度增加。本發明者等人對其增加原因進行更詳細研究，結果本發明者等人認為，其原因在於在改質層18中發生相變態等某些變質。下文中將於參考實驗例中詳述實驗條件，但本發明者等人於以同一條件對矽晶圓進行簇離子照射後，獲得了將矽晶圓的TEM剖面照片與表示相當於該TEM剖面照片的部分的碳、氫及氧的濃度分佈的圖表重疊所得的圖(圖2A)。另外，亦一併獲得了將經微波加熱後的矽晶圓的TEM剖面照片與表示相當於該TEM剖面照片的部分的碳、氫及氧的濃度分佈的圖表重疊所得的圖(圖2B)。再者，圖2A、圖2B的濃度分佈是藉由四極型的SIMS而獲得。於圖2A中可確認，於簇離子的注入射程附近(深度約40nm~80nm的範圍)形成有非晶體區域。另外，由圖2B可確認，若進行微波加熱，則該非晶體區域的結晶性恢復一部分。而且亦可確認，於未進行微波加熱的圖2A中，關於氫濃度，於較改質層18更深的區域中氫濃度急遽減少，另一方面，於進行了微波加熱的圖2B中，氫濃度的降低率變緩慢，氫被捕獲至改質層18'中。根據該些結果、及形成磊晶層後的氫的峰值濃度的差異(下文將於實施例中描述，亦一併參照圖3A、圖3B、圖4)，本發明者等人認為，相較於改質層18，變質後的改質層18'的氫的捕獲功能提高，可使經過磊晶層形成後的氫的峰值濃度增加。

如以上所述，藉由本實施形態，可製造可於形成磊晶層後於半導體晶圓的表面部使氫的峰值濃度增加的半導體磊晶晶圓100。該形成有磊晶層20的半導體磊晶晶圓100可實現使用其所製作的半導體器件的器件特性的提高。

再者，亦可於藉由第二步驟控制氫擴散之後，於第三步驟之前，對半導體晶圓10進行用以使結晶性恢復的恢復熱處理。關於該情形的恢復熱處理，例如只要於氮氣或氬氣等環境下，於900℃以上且1100℃以下的溫度下，將半導體晶圓10於磊晶裝置內保持10分鐘以上且60分鐘以下的期間即可。另外，亦可使用快速熱退火(Rapid Thermal Annealing，RTA)或快速熱氧化(Rapid Thermal Oxidation，RTO)等的與磊晶裝置不同的另外的急速升降溫熱處理裝置等來進行恢復熱處理。

以下，對本實施形態的簇離子的照射態樣加以說明。

簇離子視結合方式而存在多種簇，例如可利用以下的文獻中記載般的公知方法來生成。氣體簇束的生成法有(1)日本專利特開平9-41138號公報、(2)日本專利特開平4-354865號公報，離子束的生成法有(1)帶電粒子束工學(石川順三，ISBN978-4-339-00734-3，科諾(Corona)公司)、(2)電子/離子束工學(電氣學會，ISBN4-88686-217-9，歐姆(Ohm)公司)、(3)簇離子束基礎與應用(ISBN4-526-05765-7，日刊工業報社)。另外，通常於產生正電荷的簇離子時使用涅爾森(Nielsen)型離子源或考夫曼(Kaufman)型離子源，於產生負電荷的簇離子時使用利用體積生成法的大電流負離子源。

所照射的簇離子16的構成元素若含有氫，則其他構成元素並無特別限定。氫以外的簇離子16的構成元素可列舉碳、硼、磷、砷等。然而，就獲得高的除氣能力的觀點而言，較佳為簇離子16含有碳作為構成元素。碳固溶而成的改質層18(於第二步驟後為改質層18')成為強力的除氣點。其原因在於：晶格位置的碳原子由於共價鍵半徑小於矽單晶，故形成矽結晶晶格的收縮場，吸引晶格間的雜質。進而可認為，於簇離子16含有碳作為構成元素的情形時，改質層18中固溶的碳捕獲(trap)氫，該捕獲功能於成為改質層18'之後變得更牢固，故就氫的峰值濃度的增加的觀點而言亦較佳。

另外，簇離子的構成元素亦較佳為含有氫及碳以外的元素。尤其較佳為除了氫及碳以外，以簇離子的形態照射選自由硼、磷、砷及銻所組成的群組中的一種或兩種以上的摻雜劑元素。其原因在於：可有效率地除氣的金屬的種類視固溶的元素的種類而不同，故藉由使多種元素固溶，可應對更廣泛的金屬污染。例如於碳的情形時，可有效率地對鎳(Ni)進行除氣，於硼的情形時，可有效率地對銅(Cu)、鐵(Fe)進行除氣。

再者，離子化的化合物並無特別限定，可離子化的碳源化合物可使用乙烷、甲烷等，可離子化的硼源化合物可使用二硼烷、十硼烷(B₁₀H₁₄)等。例如於將混合聯苄與十硼烷所得的氣體作為材料氣體的情形時，可生成碳、硼及氫聚集的氫化合物簇。另外，若將環己烷(C₆H₁₂)作為材料氣體，則可生成包含碳及氫的簇離子。碳源化合物尤其較佳為使用藉由芘(C₁₆H₁₀)、聯苄(C₁₄H₁₄)等所生成的簇C_nH_m(3≦n≦16、3≦m≦10)。其原因在於容易控制小尺寸的簇離子束。

簇尺寸可於2個~100個、較佳為60個以下、更佳為50個以下的範圍內適當設定。簇尺寸的調整可藉由調整自噴嘴噴出的氣體的氣體壓力及真空容器的壓力、離子化時對燈絲(filament)施加的電壓等而進行。再者，簇尺寸可藉由以下方式求出：藉由利用四極高頻電場的質譜分析或飛行時間(time-of-flight)質譜分析而求出簇個數分佈，取簇個數的平均值。

再者，於形成磊晶層20後，為了使半導體晶圓10的表面部的氫的峰值濃度進一步增加，亦較佳為將簇離子16的射束電流值設為50μA以上。若以所述電流值條件照射含有氫的簇離子16，則簇離子16的構成元素中所含的氫於半導體晶圓10的表面部超過平衡濃度而更可靠地固溶。為了更可靠地獲得該效果，更佳為將射束電流值設為100μA以上，進而佳為設為300μA以上。再者，簇離子16的射束電流值例如可藉由變更離子源的原料氣體的分解條件而調整。

另一方面，若射束電流值變得過大，則有於磊晶層20中過剩地產生磊晶缺陷之虞，故較佳為將射束電流值設為5000μA以下。

再者，簇離子的加速電壓與簇尺寸一併對簇離子的構成元素的深度方向的濃度分佈的峰值位置造成影響。於本實施形態中，可將簇離子的加速電壓設為超過0keV/Cluster且小於200keV/Cluster，較佳為設為100keV/Cluster以下，進而佳為設為80keV/Cluster以下。再者，關於加速電壓的調整，通常採用(1)靜電加速、(2)高頻加速此兩種方法。前者的方法有等間隔地排列多個電極，於該些電極間施加相等的電壓，於軸方向上製作等加速電場的方法。後者的方法有一面使離子以直線狀行進一面使用高頻進行加速的線性加速器(linac)法。

另外，簇離子的劑量可藉由控制離子照射時間而調整。本實施形態中，可將氫的劑量設為1×10¹³atoms/cm²~1×10¹⁶atoms/cm²，較佳為設為5×10¹³atoms/cm²以上。其原因在於：於小於1×10¹³atoms/cm²的情形時，可能於形成磊晶層時氫擴散，於超過1×10¹⁶atoms/cm²的情形時，有對磊晶層20的表面造成大的損傷之虞。

另外，於照射含有碳作為構成元素的簇離子的情形時，較佳為將碳的劑量設為1×10¹³atoms/cm²~1×10¹⁶atoms/cm²，更佳為設為5×10¹³atoms/cm²以上。其原因在於：於小於1×10¹³atoms/cm²的情形時，除氣能力不充分，於超過1×10¹⁶atoms/cm²的情形時，有對磊晶層20的表面造成大的損傷之虞。

以下，對藉由依照本實施形態的製造方法所製造的半導體磊晶晶圓的較佳態樣加以說明。

較佳為於自半導體晶圓10的表面10A至深度方向的深度150nm為止的範圍內，存在氫濃度分佈的峰值。可將所述範圍內定義為本說明書中的半導體晶圓的表面部。而且，較佳為於自半導體晶圓10的表面10A至深度方向的深度100nm為止的範圍內，存在氫濃度分佈的峰值。再者，物理上無法使氫濃度分佈的峰值位置存在於經簇離子16照射的半導體晶圓的最表面(距半導體晶圓10的表面10A的深度為0nm)，故使所述氫濃度分佈的峰值存在於至少5nm以上的深度位置。

進而，氫濃度分佈的峰值濃度較佳為1.0×10¹⁷atoms/cm³以上，更佳為1.0×10¹⁸atoms/cm³以上。

另外，亦較佳為改質層18中的半導體晶圓10的深度方向的碳濃度分佈的半峰全寬(Full Width at Half Maximum，FWHM)為100nm以下。該改質層18為碳於半導體晶圓的表面部的結晶的晶格間位置或置換位置固溶而局部地存在的區域，可作為強力的除氣點而發揮作用。另外，就獲得高的除氣能力的觀點而言，更佳為將半峰全寬設為85nm以下，下限可設定為10nm。再者，本說明書中的「深度方向的碳濃度分佈」是指利用SIMS所測定的深度方向的濃度分佈。

另外，就獲得更高的除氣能力的觀點而言，亦較佳為除了上文所述的氫及碳以外，半導體晶圓的主材料(矽晶圓的情形時為矽)以外的元素進一步於改質層18中固溶。

進而，為了獲得更高的除氣能力，半導體磊晶晶圓100較佳為碳濃度分佈的峰值位於自半導體晶圓10的表面10A至深度方向的深度150nm為止的範圍內。另外，碳濃度分佈的峰值濃度較佳為1×10¹⁵atoms/cm³以上，更佳為1×10¹⁷atoms/cm³~1×10²²atoms/cm³的範圍內，進而佳為1×10¹⁹atoms/cm³~1×10²¹atoms/cm³的範圍內。

再者，改質層18的厚度是定義為所述濃度分佈中局部檢測到簇離子16的構成元素的濃度分佈的區域，例如可設為30 nm~400nm的範圍內。

(固體攝像元件的製造方法)

本發明的實施形態的固體攝像元件的製造方法的特徵在於：在位於藉由所述半導體磊晶晶圓的製造方法所製造的半導體磊晶晶圓、即半導體磊晶晶圓100的表面的磊晶層20上，形成固體攝像元件。藉由該製造方法所得的固體攝像元件與先前相比，可充分抑制白痕缺陷的產生。

[實施例]

以下，使用實施例對本發明加以更詳細說明，但本發明不受以下的實施例的任何限定。

(參考實驗例)

首先，為了表明簇離子照射後、且由微波加熱的有無所致的矽晶圓表面部的差異，進行以下的參考實驗例。

<參考例1>

準備由CZ單晶所得的p-型矽晶圓(直徑：300mm，厚度：775μm，摻雜劑種類：硼，電阻率：20Ω．cm)。繼而，使用簇離子產生裝置(日新離子機器公司製造，型號：CLARIS)，以加速電壓80keV/Cluster(每一氫原子的加速電壓為1.95keV/atom，每一碳原子的加速電壓為23.4keV/atom，氫的射程距離為40nm，碳的射程距離為80nm)的照射條件對矽晶圓的表面照射將環己烷(C₆H₁₂)簇離子化而成的C₃H₅的簇離子，獲得參考例1的矽晶圓。再者，照射簇離子時的劑量是設為6.67×10¹⁴cluster/cm²。若換算成氫原子數則為3.3×10¹⁵atoms/cm²，若換算成碳原子數則為2.0×10¹⁵atoms/cm²。再者，將簇離子的射束電流值設為800μA。

<參考例2>

以與參考例1相同的條件對矽晶圓進行簇離子照射。繼而，使用日立國際電氣股份有限公司製造的微波加熱裝置(DSG)對矽晶圓進行微波加熱，獲得參考例2的矽晶圓。再者，將進行微波加熱時的電磁波的照射條件設為如下條件。

微波功率：10kW

推定晶圓溫度：750℃

處理時間：300秒

頻率：2.45GHz

<參考評價1：利用TEM剖面照片的觀察>

對於參考例1、參考例2的各矽晶圓，利用穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope，TEM)來觀察簇離子照射後的改質層周邊的剖面。將參考例1的TEM剖面圖示於圖2A中，將參考例2的TEM剖面圖示於圖2B中。於TEM剖面照片中，可見黑色的對比度(contrast)的位置為損傷特別大的區域，可見白的部分為經非晶化的區域。再者，於圖2A、圖2B中，於TEM剖面圖上重疊下述由SIMS所得的濃度分佈而進行圖示。於圖2B中，圖2A的為非晶體區域的部分變為黑色，可認為雖然結晶性恢復，但發生相變態等某些變質。

<參考評價2：利用四極型SIMS的矽晶圓的濃度分佈評價>

對於參考例1、參考例2的各矽晶圓，藉由四極型SIMS(深度方向的解析度：2nm，氫的檢測下限：4.0×10¹⁷atoms/cm³)測定深度方向上的碳、氫及氧各自的濃度分佈。將參考例1的濃度分佈示於圖2A中，將參考例2的濃度分佈示於圖2B中。由圖2A、圖2B可確認，藉由經過微波加熱，雖然確認到氫的峰值濃度的降低，但即便於微波加熱後，氫亦殘存於矽晶圓的最表面及碳的注入範圍(range)。

<參考評價3：霧度水準的測定>

對於參考例1、參考例2的各矽晶圓，使用表面分析儀(Surfscan)SP-1(KLA坦可(KLA-Tencor)公司製造)以暗寬常規(Dark Wide Normal，DWN)模式觀察矽晶圓表面，將所得的霧度值的平均值作為霧度水準進行評價。參考例1中霧度水準為0.42ppm，參考例2中霧度水準為0.03ppm。確認到參考例2的霧度水準恢復至與即將進行簇離子照射之前相同的程度。

(實驗例1)

<實施例1>

以與參考例2相同的條件對矽晶圓照射C₃H₅的簇離子，繼而進行微波加熱。其後，將矽晶圓搬送至單片式磊晶成長裝置(應用材料(Applied Materials)公司製造)內，於裝置內以1120℃的溫度實施30秒的氫烘烤處理後，以氫作為載氣，以三氯矽烷作為源氣體，於1150℃下藉由CVD法於矽晶圓的形成有改質層之側的表面上使矽的磊晶層(厚度：5μm，摻雜劑種類：硼，電阻率：10Ω．cm)進行磊晶成長，製作實施例1的磊晶矽晶圓。

<比較例1>

除了不進行微波加熱以外，以與實施例1相同的條件製作比較例1的磊晶矽晶圓。

<評價1：利用磁場型SIMS的磊晶晶圓的濃度分佈評價>

對實施例1及比較例1的磊晶矽晶圓進行磁場型SIMS測定(深度方向的解析度：30nm，氫的檢測下限：4.0×10¹⁶atoms/cm³)，分別測定晶圓深度方向上的氫、碳及氧的各濃度分佈。將實施例1的濃度分佈示於圖3A中，將比較例1的濃度分佈示於圖3B中。此處，圖3A、圖3B的橫軸的深度是將磊晶矽晶圓的磊晶層表面設為零(zero)。直至深度5μm為止相當於磊晶層，深度5μm以上的深度相當於矽晶圓。再者，於對磊晶晶圓進行SIMS測定時，磊晶層的厚度產生±0.1μm左右的不可避免的測定誤差，故於圖中，5μm並未成為嚴格含意上的磊晶層與矽晶圓的邊界值。

根據圖3A及圖3B確認到，實施例1若與比較例1相比，則氫、碳及氧的任一元素於矽晶圓表面部的峰值濃度均上升。將比較例1中的氫、碳、氧的各元素的峰值濃度設為1，將獲取了與實施例1中的峰值濃度之比而成的圖表示於圖4中。與比較例1相比，實施例1中可確認氫峰值濃度尤其上升。

作為簇離子的構成元素的碳及氫兩者的峰值濃度上升。其中，若自容易向外擴散的氫相較於碳而上升率更高的方面考慮，則相較於單獨抑制氫擴散的想法，更可認為，藉由氫、與氫以外的簇離子的構成元素兩者的相互作用，而於簇離子照射區域中發生相變態等某些變質。而且可認為，結果氫的峰值濃度尤其上升。

另外，由圖3A、圖3B、圖4亦確認到，實施例1與比較例1相比，碳濃度及氧濃度上升。因此可認為，相較於比較例1，實施例1中除氣能力提高。

進而，若考慮參考實驗例1中的參考評價3，則可認為，相較於比較例1，實施例1中形成磊晶層後的霧度水準亦降低(改善)。

[產業上的可利用性]

根據本發明，可提供一種半導體磊晶晶圓的製造方法，其可於形成磊晶層後，於半導體晶圓的表面部使氫的峰值濃度增加。該半導體磊晶晶圓可提高使用其而製作的半導體器件的器件特性。

Claims

一種半導體磊晶晶圓的製造方法，其特徵在於包括：第一步驟，對半導體晶圓的表面照射含有氫以及碳作為構成元素的簇離子，於所述半導體晶圓的表面部形成含有所述氫的所述簇離子的構成元素固溶而成的改質層；第二步驟，於所述第一步驟之後，對所述半導體晶圓照射頻率300MHz以上且3THz以下的電磁波而將所述半導體晶圓加熱；以及第三步驟，於所述第二步驟之後，於所述半導體晶圓的所述改質層上形成磊晶層，其中於所述第一步驟中，將所述簇離子的射束電流值設為50μA以上且5000μA以下，且所述半導體晶圓為矽晶圓。
一種固體攝像元件的製造方法，其特徵在於：於藉由如申請專利範圍第1項所述的半導體磊晶晶圓的製造方法所製造的半導體磊晶晶圓的磊晶層上，形成固體攝像元件。